（电气工程专业论文）城市铁路供电系统仿真软件的开发及其应用.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1i 页 a b s tr a c t t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o na l s oc a l l e dt h ec o m p u t e re m u l a t i o n ，w h i c hi st h e t e c h n i q u e t h a t b y t h e h i g hs p e e db i gs t o r a g ed i g i t a lc o m p u t e r a n dr e l a t i o n t e c h n i q u e ，t ot u r nt h ec o m p l i c a t e d r e a ls y s t e m sr u n n i n gp r o c e d u r eo rs t a t u si n t o d i g i t a le m u l a t i o n a l o n gw i t ht h et e c h n i c a ld e v e l o p m e n ti nc o m p u t e ra n dh i 曲 s p e e d ，b i gs t o r a g e sc o m p u t e ri sm o r ep o p u l a r ，a tt h es a m et i m e ，t h es i m u l a t i o n t e c h n i q u ea l s og e tq u i k l yd e v e l o p m e n ti ne n g i n e e r i n gd e s i g nr e a l ma n dg e tg e t g o o d e c o n o m i c a l p e r f o r m a n c e ，a n d b e c o m eak i n do f t r e n dg r a d u a l l y t h ec a l c u l a t i o no ft h eu r b a nr a i l w a yp o w e rs u p p l ys y s t e m ，a l la d o p tt h er a t e m e t h o di na g o ，o n l yf r o mt h em a c r o s c o p i ca s p e c tt od e s i g n i n gp r o j e c t a n di fu s e t h er a i l w a yt r a i nr u nd i a g r a mc u t sm e t h o d ，i tw o u l ds e p a r a t et h er a i l w a yb yt h e s u b s t a t i o nt os e v e r a ld e p e n d e n tp o w e rs u p p l ys e g m e n t ，t h ec o m p u t i n go n l y i n v o l v e3s u b s t a t i o n i nr e a l i t y ，u n d e rt h en o r m a lc o n d i t i o n ，a tt h et w o s i d e sp o w e r s u p p l yc i r c u m s t a n c e ，b yt h es u b s t a t i o nb u sl i n e ，i t i sm a k i n gt h ew h o l el i n et o c o n n e c ts e g m e n te a c h eo t h e rt ot r t ma saw h o l ee n t i t y ，t h et r a i nt a k e st h ec u r r e n t f r o mt h ew h o l ei i n e ，t h er a i l w a yt r a i nr u nd i a g r a mc u t sm e t h o d c a nn o tc o n s i d e r t h i sp o i n t ，a l s oh a v es h o r t a g e t h i st e x ti n t r o d u c eu s t h es i m u l a t i o nt e c l m i q u ea n da d v a n c e ds q l s e r v e r d a t a b a s et e c h n i q u e sa r es y n t h e s i z e dt oa p p l yi n u r b a nr a i l w a yp o w e rs u p p l y s y s t e m ，h n i t a t et h e w h o l el i n et r a c t i o nn e tt oac o m p l e t ed y n a m i ce l e c t r i cn e t w o r k ， a n da p p l yt h en e wt h ed ct r a c t i o np o w e rs u p p l yr sm o d e l ，m a k i n gi t e v e n a p p r o a c h e dw i t ht r a i nr e a lr t m n i n ga n dc a no p t i m i z et h ed e s i g n , t h ee n g i n e e r i n g p r o f i ti so b v i o u s l y 1 nt h ef i r s tc h a p t e r ，s t u d y i n gt h es t r u c t u r ea n dr u n n i n gp e r f o r m a n c ei n c l u d e t h ed ct r a c t i o np o w e r s u p p l y a n da c p o w e rs u p p l ys y s t e m i nt 1 1 es e c o n dc h a p t e r ，i n t r o d u c ep o w e rf l o wc a l c u l a t ep r i n c i p l ea n d m e t h o di n t h ea cp o w e rs u p p l ys y s t e m ，t h e n i n t r o d u c ea n da n a l y s i s t h e p o w e rf l o w c a l c u l a t i n gm e t h o d o f t h eu r b a nr a i l r o a dp o w e rs u p p l yn e t i nt h et h i r dc h a p t e r ，a n a l y s i z i n gt h es i m u l a t i o nc a l c u l a t i n gm e t h o do ft h e p o w e rs u p p l ys y s t e m o f u r b a nr a i l w a y 1 1 1t h ef o u r t hc h a p t e r ，a n a l y s i z i n gt h es t r u c t u r ea n d r e a l i z a t i o nm e t h o do f t h e s i m u l a t i o ns o f t w a r e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1ii 页 f i n a l l y w i t ht h i ss o f t w a r ei si ng u a n g - f ol i n e su s a g ea s e x a m p l e ，i n t r o d u c i n g s o f t w a r ei nt h e e n g i n e e r i n g o fa c t u a la n d a p p l i e d c i r c u m s t a n c e t h i st h e s i sm a d eu s eo fc o m p l e t e l yd ca n da cp o w e rs u p p l yf o u n d a t i o n t h e o r i e sk n o w l e d g ea n dc o m p u t e rd a t a b a s e a p p l i c a t i o n s o t ! t w a r e d e v e l o p m e n t k n o w l e d g e ，d e v e l o p p i n g t h e t h en e wg e n e r a l u s e f u l p o w e rs u p p l ys y s t e m s i m u l a t i o ns o f t w a r e ，t h ew h o l es o f t w a r ec a na l s oe x p a n dt o t h eu r b a nt r a v e l t r a n s p o r t a t i o np r o j e c tf s u c ha sl o ws p e e dm a g n e t i cl e v i t a t i o n ) a n dt h e m i n e r a l m o u n t a i nd c p o w e rs u p p l ys y s t e m t h i ss o f t w a r e h a st h eb e t t e rr e a l i s t i cm e a n i n g a n d p r a c t i c a l v a l u e b e c a u s ea u t h o rt h el e v e li sl i m i t e d ，m a n ys h o r t a g ea n dp r o b l e mc o u l de x s i t s c e r t a i n l yi nt h et e x t ，p l e a s ee a c h t e a c h e rp o i n to u ta n dc o r r e c t k e y w o r d s ：s u b w a y ，p o w e r s u p p t y ，s i m u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文研究的目的和意义 随着我国国民经济的迅速发展和城市交通量的增长，城市铁路作为一种 高速、安全、可靠、准时、舒适、便捷、无污染等优点的交通运输工具，在我 国得到了越来越多的应用。电力牵引供电系统是城市铁路运输的重要组成部 分，没有电力牵引供电系统的可靠安全供电，就不可能有城市铁路的f 常运 行。 同样。在工程设计当中，供电系统的设计是整个城市铁路系统设计中的 一个重要系统，供电系统设计包括两部分，中压坏网部分和直流牵引部分。 直流牵引供电计算是城市铁路供电系统设计的重要依据，它决定着牵引变电 所的分布和容量、牵引网电压的变化、功率损失、设备的选型和保护的设计。 牵引供电系统设计的优劣，直接影响着城市铁路交通供电系统的设计质量和 工程投资以及城市铁路的运营成本和变电所运行的安全可靠性等。 中压坏网供电计算是确定中压环网电缆的选型，中压环网的投资，基本 占全部供电系统投资的2 0 至3 0 ，中压环网的设计的是否合理，也直接影响 着整个供电系统的投资。 将计算机仿真技术应用于城市铁路牵引供电系统的设计，利用计算机实 时的模拟城市铁路牵引机车的运行组织的电气参数的动态过程，对供电系统 工程进行辅助设计，进行多方案的仿真比选，优化设计方案，提高设计效率， 节省工程投资，减少运营成本，无疑是供电系统设计的一种高效的设计工具 和手段，是供电系统理论和实践相结合的发展方向。我国越来越多的城市开 始修建地铁，城市铁路供电系统仿真软件的开发就显的很有必要。 1 2 国内外研究概况 目前，由于国外城市铁路比较发达，国外在城市铁路供电系统仿真软件 上也比较发达，但其仿真是仅限于直流牵引供电系统的仿真。国内这一领域 的仿真设计软件实现的功能较少，只能计算出牵引变电所直流侧整流变的容 量、馈线电流和牵引网电压。而且其计算模型是基于列车运行图截面法，是 以变电所为分割点，将整个牵引供电系统分成多个独立的供电区段，计算仅 涉及3 个牵引变电所，实际上，在j 下常双边供电情况下，由牵引变电所直流 母线将全线牵引网连通为个整体，列车取流是从全线牵引变电所耿流，列 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 车运行图截面法束能考虑这点，存在不足。这次开发的牵引供电仿真软件 采用的计算原理，则是将全线的牵引网系统模拟成一个完整的动态网络，它 更逼近于列车实际运行情况，这使得牵引供电计算方法更科学、计算结果更 准确。是一种在列车运行面截面法基础上，同样利用运行图确定列车位鼍和 取流的“列车运行图动念网络法”。 本软件将直流牵引供电计算与交流侧潮流计算仿真集成为一个软件包， 比较全面完整地解决供电系统仿真设计问题。 1 3 论文研究的主要内容 本篇论文第一章研究了城市铁路供电系统( 包括直流牵引供电系统和交 流供电系统) 的构成和运行方式。并详细研究了直流供电系统部分整流器的工 作原理、特性、整流器同整流变压器的参数配合。 第二章主要介绍了一下交流供电系统部分潮流计算原理和方法，并对城 市铁路供电系统网络的潮流计算方法进行了分析和介绍。 第三章对城市铁路牵引供电系统仿真算法进行了分析，并对常规的两种 直流供电系统算法( 平均运量法和列车运行图截面法) 进行了分析，指出了常 规算法存在的不足，提出了全线一体化的新型动态网络化r s 牵引供电仿真计算 模型，并就该算法中牵引变电所馈线瞬时电流、牵引网瞬时电压、牵引变电所 瞬时功率、馈线平均电流、有效电流、牵引变电所功率、牵引网平均功率损失、 能耗、回流网对地电位等工程计算方法进行分丰厅。 第四章对供电系统仿真软件的实现方法和软件结构进行了全面分析和介 绍，主要从利用编程语言如何实现软件的输入、输出功能以及仿真模型的算法 和如何采用s q l s e r v e r 数据库的强大数据处理能力与c + + b u i i d e r 结合等方面进 行了详细的说明和阐述。 最后以此软件在广佛线的使用为例，介绍软件在工程中的实际应用情况。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 第2 章城市铁路供电系统的特点 城市铁路牵引供电仿真软件的开发和算法模型的建立都与城市铁路供电 系统的特点密不可分。本章首先介绍城市铁路供电系统的特点，然后重点对 整流机组的工作特性进行分析。 2 1 城市铁路供电系统的构成 ( 1 ) 供电系统组成 城市铁路的供电系统负责提供车辆及供电设备的动力能源，一般由以下 几部分组成：主变电所( 对于集中供电方式) 、中压供电网络、牵引变电所及 降压变电所、牵引网系统、动力照明系统、电力监控系统( $ c a d a ) 及杂散电 流防护系统。 ( 2 ) 供电系统功能 供电系统的功能是向城市铁路各机电设备系统提供安全电力供应，满足 各系统的供电要求。 1 ) 接受并分配电能的功能：通过主变电站将电力系统引入的交流高压电 降压成适合城市铁路供电系统使用的交流电，并通过城市铁路集中供电系统 网络，将电能分配到每一个车站和车辆段内的牵引变电所和降压变电所。 2 ) 降压整流及传输直流电能的功能：通过牵引变电所对主变电站引来的 交流电进行降压整流，使之变成直流电，再将直流电通过沿线架设的接触网 不间断地向运行中的列车供电，以保证列车的安全、可靠、快速、准时地输 送旅客。 3 ) 降压及动力配电的功能：通过降压变电所将主交电站送来中压交流电 降压成3 8 0 2 2 0 v 的低压交流电，向车站和区间隧道的各种动力、照明设备供 电，保证各种车站设备的f 常运行，给乘客提供一个安定舒适的乘车环境。 4 ) 供电系统各级供电电压网络应具有正常、事故、灾害运行情况下的控 制、测量、监视、计量、调整的功能；安全操作连锁功能以及故障保护功能。 5 ) 供电系统运行方式 ( i ) 正常运行方式 a 、保证所有城市铁路电气设备的用电要求。 b 、供电系统电能损失最低，且电压质量符合要求。 c 、任一设备出现故障时，通过继电保护和安全自动装置的动作，使系 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 统进入故障运行方式，不间断地向重要设备( 一、二类负荷) 供电。 ( 1 1 ) 故障运行方式 a 、供电系统内部发生一处电气故障，如条电缆故障或变压器故障 退出运行时，通过改变运行方式，保证所有或部分用电设备的正常运行。 b 、供电系统内部发生两处电气故障要用电设备币常运行。通过改变 运行方式，保证重要用电设备正常运行。 c 、供电系统外部发生一般电气故障，如一路外部电源故障，通过改变 供电网开口点泉保证对用户的不间断供电。 d 、供电系统外部发生严重电气故障，如二路外部电源故障，通过改 变运行方式来保证重要用电设备的供电，以维持城市铁路的运营。虽然两路 电源j 司时故障影响范围较大。但概率很低。 ( i ) 检修和维护运行方式 供电设备按计划进行检修和维护，当部分供电设备停运检修时，通过改 变系统的运行方式来满足用户的正常用电要求。 ( ) 灾害情况运行方式 a 、供电系统内部发生严重灾害，如供电线路发生火灾，应立即将故障 部分停电及隔离，以避免事故扩大，减少事故影响范围。 b 、供电系统外部发生严重灾害，如城市铁路车站发生火灾，应根据火 灾地点的情况，尽快将灾害现场与消防无关的供电回路停电，同时保证消防 设施工作以及现场人员疏散所需的电源。 2 1 ，1 高压供电系统 一般地，高压供电方式有3 种：集中式供电、分散式供电和混合式供电。 ( 1 ) 集中_ 式供电 沿城市铁路线路，根据用电量和线路的长短设置专用的主变电所。由主 变电所所构成的供电方案为集中式供电。主变电所应有两路独立的1 1 0 k y 电 源。上海、广州、香港地铁即为此种供电方式。如图2 - 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 城市电网 图2 - 1 集中式供电方式 ( 2 ) 分散式供电 沿城市铁路线路沿线直接出城市电网引入多路电源，电源电压等级一般为 l o k v ，供给各牵引或降压变电所，这种方式为分散式供电。分散式供电应保证 每座牵引变电所和降压变电所能获得双路电源。如图2 2 所示。 城市电网城市电网城市电网城市电网城市电网 6 牵引或降压变电所 图2 - 2 分散式供电方式 ( 3 ) 混合式供电 即前两种供电方式的结合，以集中式供电为主、个别地段引入城市电网电 源作为集中式供电的补充，使供电系统更加完善和可靠。北京地铁1 号线和环 线即为此种供电力式。如图2 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 城市电网 厂、 u 一 图2 - 3 混合式供电方式 城市电网 当采用集中式供电方式时，设主变电所，需从城市电网中引入两路可靠 电源( 一般为l l o k v 或3 5 k v 电压等级) 。 当采用分散式供电方式时，不设主变电所，各牵引变电所、降压变电所 分别由城市铁路沿线电网就近接引两路相互独立的3 5 k v 或l o k v 电源供电。 混合式供电方式是前两种供电方式的结合。一般是以集中供电方式为主， 个别区段的牵引或降压变电所直接引入城市电网电源作为集中供电方式的补 充。 ( 4 ) 集中供电方式与分散供电方式的比较 集中供电方式与分散供电方式的比较如表2 一l 所示。 由表2 1 可以看出，与分散供电方式相比，集中供电方式具有以下优点： 1 ) 可靠性高，便于集中统一调度和集中管理。 2 ) 施工方便，维护容易。电缆敷设径路比较好走。在城市铁路地下部分， 电缆可沿隧道内壁上豹支架敷设，在离架区段，电缆可沿线路两铡的支架敷 设，不存在另选径路开挖道路的问题，可以节省投资，方便电缆的维护保养。 3 ) 抑制谐波的效果较好。城市铁路系统是直流牵引供电系统。其牵引整 流系统是较大的谐波源，为减少谐波对电网的影响和危害。一是采用较高脉 波( 2 4 脉波) 整流机组，二是选用较高电压( 1 l o k v ) 的电源，因为大容量、 高电压电网的承受能力强，同时国标规定的谐波总畸变率和谐波电压含有率 t l , j , 容量、低电压电网要低得多，而且也有利于今后集中采取高次谐波防治 措旌。 堕里奎堕查兰塑主堕窒竺兰堡笙壅 笺! 要 序号比较项目 集中供电方式 分散供电方式 与公用电网连接点少，运行、调 与公用电网的连接点多，运行、 l 调度 度、管理方便 调度、管理不便 2 业务管理计量收费l 作简化 计费收费1 作最增加 3 电源间隔 需公用电网提供的出线间隔少 需公用电网提供的出线间隔多 需公用电网 受电点少，要求公用电网提供的 受电点多，备分散的受电点剧备 4 提供的备用备用容量低 用之和比集中方式大 隧道外电缆敷设量少，通道路径 由于线路回数多，隧道外电缆敷 5 电缆敷设容易解决。隧道内或高架敷设量 设量增加。不利丁电缆施1 。和维 多，有利电缆施上和维护护 可靠性、安全性高受外部电网 影响小，有利于形成城市铁路电与众多的负荷出线引接在- “条公 6 供电可靠性 网，供屯资源共享，进一步提高用母线上。供电可靠性受影响 可靠性 与公用电网相互影响小，可采取与公用电网相互影响较大，可造 7 电能质量 的措施监测和治理谐波源成电网污染 变电所占地 9主变电站需占用土地不建设主变电站 面积 i 、对交义或临近城市铁路线路 l 、不能对交义或临近城市铁路线 供电，能进行综合优化，节约 路的供电方案进行综合优化； 投资及，十地资源； 2 、公片j 电网需提供大量出线闻 1 0 经济性2 、充分利用公用电网的电力资 隔，可能影响社会其它用电间隔 源。 需求 3 、肖约优化使_ 【 j 公用电网山线 间隔 对公用电网必须进行人规模改造 1 1 投资需建设主变电站、电力调度 及增容 集中管理，运行人员少，费用相分散管理，人员多，费用相对大， 1 2 运行 对较低，电网损耗也相对低较。电网损耗大 4 ) 计费方便、简单。采用1 1 0 k v 电压集中供电方式，运行管理单位与 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 电业部门的电度计费只要在主变电所设总计量就行，不必在各变电所分别计 量、汇总，计费方便、简单，同时也减少了供电部门之间的联络环节。 5 1 集中供电方式又分为三级电压制和两级电压制，目前我国城市铁路供 电的电源，上海地铁l 、2 号线、明珠一期、二期采用的是三级电压制，即 1 l o k v 3 5 k v ( 或3 3 k v ) l o k v 系统；广州地铁l 、2 号线、正在建设的深圳 地铁、南京地铁等线的供电系统采用的是两级电压制，即1 l o k v 3 5 ( 3 3 ) k v 系统。 三级电压制，如图2 - 4 所示，是将牵引变电所的供电和降压变电所的供 电从电气上分开。牵引变电所采用3 5 k v ( 3 3 k v ) 电压供电，另设若干个3 5 ( 3 3 ) l o k v 中心降压变电所，中心降压变电所采用l o k v 电源向全线降压变 电所供电。牵引变电所3 5 k v ( 3 3 k v ) 侧单母线接线，基本上以二个牵引变电 所为一个单元分组，每个单元中的两个牵引变电所从主变电所或3 5 k v 丌关站 的不同3 5 k g 母线或不同的主变电所分别引入一回电源，两个牵引变电所之间 又设联络电缆，作为备用电源，互为备用。 l o ，3 5 k v 或0 3 3 k v 主变电所 l o k v 降压变电所 3 5 1 0k v 或3 3 l o k v 中心降压变电所 o k v 降压变电所 幽2 - 4 二级电压制集中供叱方式环网接线示意图 两级电压制，如图2 - 5 所示，牵引降压混合变电所和降压所均由3 5 k v 电源供电，变电所高压侧单母线分段。考虑供电的可靠性和继电保护配置， 全线变电所分为若干个供电分区，每个分区由3 4 个车站的牵引降压混合变 电所或降压变电所组成。每个供电分区由一个降压变电所或牵引降压混合所 直接从主变电所引入两路电源，其余变电所( 跟随式降压变电所除外) 采取 环接形式从相邻变电所引入两回3 5 k v 电源， 一亘堕奎望奎兰堡主塑窒竺兰焦笙壅 塑! 戛 例2 - 5 两级电压制集中供电方式环网接线示意图 三级供电与两级供电电压制的技术经济比较，见表2 - 2 所示。 表2 2 二级与两级供电方案技术经济综合比较 三级供电 两级供电 供电可靠性满足要求满足要求 供电工程投资较高较省 正常运行较好 止常运行较好 供电质量 非正常运行l o k v 非正常时3 5 k v 或3 3 k v 与额定电压偏差较犬与额定电压偏筹较小 电能损失较少， 运营成本较高 设备运营维护成本低 相关车站土建投资略高略低 运营维护工作量较人很少 通过分析比较可以看出， ll o 3 5 ( 3 3 ) k v 两级供电方式，供电可靠性不 低于1 1 0 3 5 ( 3 3 ) l o k v 三级供电方案，而且在工程投资、运营成本、工程建 设条件等方面优势明显。 从谐波的影响来看，在三级供电方式中，牵引变压器整流机组产生的谐 波要通过主变电所，到中心降压变电所，到降压变电所，再影响车站两侧的 动力设备，距离长，有一部分谐波在主变电所已经被互相抵消了，到达车站 动力设备的谐波分量小。在两级供电方式中，降压变压器与牵引变压器接在 同一段母线上，牵引变压器产生的谐波直接通过降压变压器影响车站4 0 0 v 侧 的动力设备，距离短，谐波分量大。从谐波性能影响上，三级供电方式的技 术要好一些。但两级供电方式投资要省一些。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 总之，由于城市铁路的供电系统与城市电网的分行密切相关。因此设计 时应根据城市电网的构成情况和城市铁路的具体情况，选用某种形式的供电 方式。 2 1 2 牵弓i 供电系统的构成 ( 1 ) 电压等级 如图2 6 所示，城市铁路牵引供电系统的都采用的是直流供电制式，这是 【司为城市铁路运输的列车功率并不是很大，其供电半径也不大，因此供电电压 不需要太高。另外由于城市铁路供电线路都处在建筑群之间，供电电压不宜太 高，以确保安全。基于以上原因，世界各国城市铁路的供电电压牵引电压等级 较多，有6 0 0 v 、7 5 0 v 、8 2 5 v 、1 0 0 0 v 、1 2 0 0 v 和1 5 0 0 v 等，其发展趋向是国际i e c 电压标准6 0 0 v 、7 5 0 v 、1 5 0 0 v 。而我国地铁国家标准中只确定为7 5 0 v 和j 5 0 0 v 两种。所以，目前国内城市铁路采用的直流电压制式为7 5 0 v 或1 5 0 0 v 。 酗2 6 荦 i 供电系统构成 ( 2 ) 牵引网 城市铁路系统的牵引网是沿线路敷设的专为电动车辆供给电源的装置。它 由正极接触网供电，负极走行轨回流两部分组成。 接触网可分为接触轨和架空接触网两种型式。接触轨的主要优点是：使用 寿命长、维修量小，在地面对城市景观没有影响，适应于电压较低的制式。北 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 京地铁即采用了7 5 0 v 接触轨供电的方式。接触网的主要优点是：安全性较好， 适应于电压较高的制式。上海、广州地铁均采用了1 5 0 0 v 接触网供电的方式。 接触轨和接触网两种供电方式，目前在世界上许多国家同时并存，究竟采 用何种方式，各城市应根据自己的特点，进行车辆和供电系统的综合比较。 ( 3 ) 牵弓l 变电所设置 牵引变电所的位置和容量，是根据运行高峰小时的车流密度、车辆编组及 车辆型式通过牵引供电计算，经过多方案比较后确定。 牵引变电所的设置距离应保证高峰小时最大运营负荷的需要，同对应保证 系统中任何一座牵引变电所发生故障解列时，由其相邻变电所采用单边或双边 供电，保证列车的正常运行。 2 1 3 牵引牵引供电系统的运行方式 牵引牵引供电系统的运彳亍方式有两种，即正常运行方式和任一牵引变电 所解列时的运行方式。如图2 - 7 所示。 复越1 厂 牵引所l 牵5 | 所2 牵引所3 制刊 t 一一 o ( a ) 牵引所2 ( b ) 图2 7 牵引供电系统的运行方式 ( a ) 正常运行( b ) 任一牵引所解列 牵引所3 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 1 ) 正常运行方式 正线各供电区间，均出相邻牵引变电所双边供电；车辆段内接触网由车 辆段牵引变电所供电；停车场内接触网由停车场牵引变电所供电；。 2 ) 任一牵引变电所解列时的运行方式 当任一牵引变电所解列( 不含线路端头牵引变电所) ，由相邻变电 所越区“大双边”供电。 当f 线线路端头的牵引变电所解列，分别由相邻的牵引变电所单边 供电。 车辆段或停车场牵引变电所解列时，由一线牵引变电所通过合上正 线与车辆段或停车场接触网分段隔离开关向车辆段或停车场牵引 网供电，而车辆段或停车场牵引变电所不向正线支援的任务。 2 1 ，4 动力照明供电系统 每个车站应没降压变电所承担本站及区脚动力照明负荷。若地下车站负荷 较大，一般于站台两端设降压变电所，其中一端可以和牵引变电所合建为混含 变电所；若地面车站负荷较小，可设一个降压变电所。 对于一、二级负荷，一般是由两路电源供电的，三级负荷是由一路电源供 电的。当降压变电所一台变压器发生故障解列时，另一台变压器可承担该所供 电范围内的一、二级负荷。 2 1 5 电力监控系统 地铁内设有电力监控系统( s c a d a ) 如图2 8 所示，它的作用是保证控制中 心对供电系统的主变电所、牵引变电所、降压变电所等供电设备的运行状态监 视、控制和数据采集。它由设在控制中一1 2 啪主机、设在各变电所的远程控制终 端以及联接终端与中心的通信网络三部分组成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 2 整流机组 图2 8电力监控系统的构成 由于牵引变电所其功能是将中压交流电整流为直流电供机车负荷，因此 整流是牵引供电的核心。而整流机组就成为牵引变电所的关键设备，所以将 整流机组单独列出着重分析。 2 2 1 整流机组接线方式与特性。1 ( 1 ) 整流机组接线方式和整流电路 整流机组是把三相交流电变为直流电能的重要设备。整流机组的接线方 式和整流效果，与直流牵引变电所的效率高低、直流电压质量和机组本身的 各项技术参数有密切关系。 早期的城市铁路的直流牵引系统，通常采用三相桥式整流电路，随着技 术的发展，逐步被十二脉波和等效二十四脉波整流电路所取代。等效二十四 西南交通大学硕士研究生学位论文 第14 页 脉波整流机组构成方式是将每台整流变压器的二组低压绕组之间相位相差 3 0 。接入整流器。每组整流器由二个三相桥式整流电路并联组成1 2 脉波整 流，每个桥臂由2 个平板压接式整流管并联，使用正向峰值压降相近的整流 管并联，以获得相近的电流分配。整流变压器的电源侧绕组采用延长三角形 接线，两台整流变压器中一台整流变压器移相+ 7 5 。，另一台整流变压器移 相一7 5 。，二台十二脉波整流器次边输出端并联后向牵引网合成输出等效2 4 脉波的直流电源。要使两套整流机组能够均匀出力，必须使两台1 2 脉波整流 机组一次侧输入电源获得严格的同期性，为满足这一条件，变电所两套整流 机组须挂接在同一段母线上。 由于等效二十四脉波整流电路是有两个十二脉波整流电路等效构成，以 十二脉波为例来分析一下整流电路。 经济而有效的构成十二脉波整流电路的方法，是在三相桥式整流电路的 基础上增加整流相数，即相位倍增法。 增加整流相数的措施是采用三绕组或四绕组的特种结构变压器，其绕组 接线方式分别为y - y ，一y 和y - 哪，一y 一利用次边 或原、次边星形与三角形两绕组闾各相问电压依次形成3 0 。相移，以及上述各 相间电压的倒相( 1 8 0 ”相位差) ， 图2 9 表示出y 一接线方式整流变压器原边、次边两绕组电压相量 和十二相电压相量关系图( 图2 9a ，b ) ，以及i 担此构成的两组三相桥并联工 作的十二相整流桥电路接线( 图2 - 9c ) 。 d c = d 如2 d k u a b 一 。u ，心少j 。彳“ u 喃 、， ( a ) 原次边相量( b ) 十二相电压相量 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 rl ( c ) 二相桥并联：作整流电路 图2 - 9y 一接线整流变压器构成十二脉波整流电路图 图2 一1 0 ( a ) 为一y 一四绕组变压器与两组三相整流桥连接形式， 图( b ) 为两台不同连接组别的双绕组变压器( 与y 接线) 分别与两 组三相整流桥连接构成等效十二相接线方式的电路图。此外，两组三相桥串 联也可组成十二相整流电路。 1 0 k v 上3 5 l c v 一 1 0 k v 二3 5 k v ( a ) 四绕组变压器 ( b ) 两台双绕组变压器 图2 - 1 0整流机组接线方式 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 1 ) 十二脉波整流电路的工作特性及各项主要参数 现以图2 - 9 ( c ) 所示的y 一接线整流变压器构成两组并联三相桥的 十二相整流电路为例，简要说明它的工作特性和各项主要技术参数。 图中l 、r 为负载电感、电阻，l p 为平衡电抗器，其中f 点与负载电路 联结，负载的另一端则和两组并联整流桥的阳极相连。 当不考虑平衡电抗器的作用时( l p = o ) ，相当于两组相位差为3 0 。的三 相桥整流电路交替向直流负载供电每个桥臂整流电路管导电时间为i j t ，整 。 流电压u d 每工频周期有1 2 次脉动，形成十二相整流。这种情况的缺点是不 能有效利用每桥臂整流管。 为了使用两组桥真正并联运行，而不是交替工作，需要加入平衡电抗器。 当i 组桥的瞬时线电压高有整流电流输出时，在平衡电抗器的两端就感应电 势，其一半减小i 组桥的电势，另一半则增加i i 组桥的电势，维持两组各自 的币常三相桥整流状态。当i 组桥的瞬时线电压等于i j 组桥的瞬时线电压时， 两组桥当然并联运行，此时在平衡电抗器上感应的电势为零，之后当i i 组桥 的瞬时线电压大于i 组桥瞬时线电压时，则平衡电抗器上感应的电势，其极 性亦反过来，继续维持两桥正常导通。 接入平衡电抗器l p 后，如图2 - 1 l ( a ) ，由于其感应电压2 比的存在，则 两组三相整流桥相当于并联工作，同时向负载l 、r 供电，且每个桥臂整流管 导电时间为等，提高了整流管的利用率。现对接入l 、r 后两组整流桥的工 作及其导电情况进行分析，见图2 - 9 ( c ) 。 u a u 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 u b “ 6 6 ( b ) i 、i t 组整流桥箨整流管并联导电屯乐波形 ub | 5 , 6 1 , 61 , 22 , 33 ，44 , 55 , 6 i m # 自* t5 【5 ，6 。 l ，曰；卜2 2 ，掣l 3 ，4 +4 。，5 5 ，6 + l i i 组导电管 ( a ) 平衡电抗器丁：作的等效电路 ( c ) 两组桥各时刻导通整流管次序号 图2 1 1 带平衡电抗器十二相整流波形图( 一) 2 “o ( d ) 并联导电后整流电压脉动波形 “ ，耐 ( e ) 平衡电抗器l p 电压2 u 。波形 酬2 - 1 l 带平衡电抗器十一相整流波形图( 二) 图2 一l l ( b ) 绘出了两组整流桥各整流管轮流并联导电电压波形图，两 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 组整流桥任意时刻并联工作的必要条件是，导电时刻两组桥路同时并联导电 支路的电压必须相等。 现考察波形图中删= 巳+ 气6 ) 期间内的导电情况，i 组桥的1 、6 整 流管和i i 组桥的1 、6 整流管在虬。与u 。的分别作用下同时并联导电， 在b 寸曰( 衫1 2 ) 期间内u 。 u 。，加在平衡电抗器两端电压为电压差 “= 虬一一u 。，于是在4 各一半豹绕组中产生相等的感应电压氓( 总电压 为2 u 。) ，其等效电路如图2 - 1 1 ( e ) 所示，u 。的方向力图使两导电支路线间 电压相等，即使整流电压相等，故为 u d = “曲一“。= u 甜十“。 铲等产 u 曲+ “曲 ；“d2 。_ ( 2 一1 ) 上述结果表明，在彰1 2 导电期间内两组整流桥两并联支路的整流电压相 等，虽为两组工作支路变压器次边线电压和的一半( 瞬时值) 。在矿一瓯( 衫1 2 ) 时刻内，导电支路不变，但u 。 u 。，则平衡电抗器感应电压的方向相反， 2 u 。为负，形成图2 - l l ( e ) 中电压正负脉动的波形。此时“。值仍保持( 2 一1 ) 式的关系不变a 此后在吼_ 见w 6 ) 时刻，电路转换为i 组的1 、2 整流管和 i i 组的1 6 整流管在电压“。与“。分别作用下并联导电，如此交替进行持 续工作。i 、i i 组整流桥各支路导电波形与导通整流管序号、并联导电后( 出 于0 的作用) 的导电波形分别示于图2 - 1 l 的( b ) 、( c ) 、( d ) 图中。图2 一l l ( e ) 为2 波形e 从以上分析和波形图可知。接入平衡电抗器后，两组三相桥中每个整流 管支路的导电时间是2 衫3 - 与三相桥整流电路相同，每隔厅厂3 对亥有一对支 路的整流管( 同一组中) 导电。从而与不接l ，的电路比较，提高了每支路整 、l，j 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 9 页 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - 一 流管的利用率。两组三相桥带平衡电抗器整流电路输出直流电压瞬时值，由 ( 2 一1 ) 式及三相桥电路基本关系式。、蜥：，则可导出为( 傅立叶级数) 一( 一委c o s 6 耐+ 击c o s t z 一- z ， “。：在相位上与，相差叫6 ，上式中以+ 州6 ) 代替“，即得 一 ，+ 丢c o s s 甜+ 击c o s z 一) s ， 式中：“：。为整流变压器次边绕组空载线间电压。则空载整流电压 为 = 半= 1 3 5 u ：c , ( h 矗c o s 也一) a ， 两组三相桥带平衡电抗器并联整流电路主要电量及技术参数列于表2 3 。 表中同时给出了串联整流电路参数。 表2 - 3 十二二相脉动整流电路主要技术参数 整流变压桥 臂电流 变压器容量 器接线方连 平 臂的反变压器变压器 脉 均 均方根最人值 向1 作次边电 次边电波 j l 接 蜂压压 流 次边 原边等值 值 数 原 或y并i - 60 2 9 3 i “i 。- 61 0 5 u mu 1 3 50 4 0 8 i a i 0 5i 0 l 边联p “ p i i 0 3 p 。l1 2 次 害 1 0 51 0 l 边 a y i 。l 30 ，5 8 i “1 0 5 1 d0 5 2 4 u mu 。】2 70 8 1 6 i “ 1 ，0 3 e j1 2 联rp “ 注：臂电流指三相桥每桥支路电流，i d 、p d 分别为直流电流和功率 出上可见，平衡电抗器在两级整流器弗联工作中的作用既起到限制孵肘 电压u a 和u 。：的不同而造成的两组整流电路内部流通不平衡电流或称环流的， 又补偿了两个整流电路瞬时电压u 。和u 。的差异，使整流电路加到负荷上的 电压相等，即两组整流电路真正并联工作。 因此，整流器间接平衡电抗器主要有两个作用，一是平衡并联的两个整 流器输出电压瞬时值，使它们能够同时工作，从而提高整流器的利用率，并 对输出整流电压存在一定的滤波作用：二是消除因并联整流器输出瞬时电压 值不同，面可能在整流器间形成的环流。 如前面分析，两个整流电路并联工作的条件是输出直流电压相等，我们 知道变压器星形绕组和三角形绕组的匝数经为1 ：、，3 ，而43 是一个无穷小 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 数，势比造成它们的匝数比有误差，输出电压有差异。由于电压高的那个桥 有嵌位作用，如前面所进行的理论分析，并联工作必须加平衡电抗器。根据 株洲电力机车研究所在广州地铁挂网试验表明，1 2 脉波两桥并联和2 4 脉波 四桥不加平衡电抗器是完全可以的，其条件就是整流变压器的漏抗要达到一 定的数值，变压器次边两绕组的电压差异不能太大，从理论上分析是因为每 个变压器的星形绕组和三角形绕组所接的三相桥工作时总有两相漏抗与一对 二极管和负载串联。因此可以将三相输入端的漏抗l 1 等效到直流输出端，等 效电感l = 2 l ( 图2 1 2 ) 起着平衡电抗器的作用。 一0 卜i b - 、b 图2 1 2 变压器漏抗等效电感示意图 2 ) 整流器工作方式与换相重叠角的关系 以图2 - 9 ( c ) 所示三相桥并联整流电路的第l 组整流桥为例，由于整流 回路有变压器的漏抗存在，漏抗对电流的变化超阻碍作用，因此换相过程不 能瞬间完成，而是会持续一段时间，这个换相过程所对应的电角度，称为换 相重叠角，以，表示。当换楣重叠角，大小变化时，整流器在工作过程中同 时导通的桥阀数目将不相同。如图2 - l l 所示。图中1 6 表示导通的阀号， 斜线部分表示正在换相的两个阀都导通。有时为了简明和方便，